多针头静电纺丝过程中电场强度与分布的有限元分析

采用COMSOL Multiphysics多物理耦合场有限元模拟软件对多针头静电纺丝过程中的工艺参数如何影响场强的大小与分布进行了模拟分析,对于纺针数量、直径、长度、间距以及电压对各针场强大小与分布的影响进行了系统研究。结果发现,对于单针头静电纺,场强峰值出现在针尖部位,而对于线性排列的多针头静电纺丝而言,场强峰值出现在两侧纺针的针尖外侧部位,中间纺针的场强受到抑制而变小,这也是存在End effect 现象的根本原因。此外,随着纺针数量、直径和针长的增加,最外侧纺针场强峰值显著下降,而外加电压的增大和接收距离的减小会使场强峰值显著增大。这些发现会对多针头静电纺丝过程中场强大小及分布的改善起到重要的理论支撑作用。     

多针头静电纺场强分布的研究

在静电纺丝过程中,电场的分布形式及场强大小会影响射流的稳定性及整个纺丝的效果。为了得到最佳的纺丝电场环境,需对工作电场进行初步的模拟及优化。本文利用有限元分析软件ANSYS分别对规模化多针头高压静电纺丝机的工作场强进行了建模与仿真。分析研究发现:随着针头数的增加,场强峰值减小;同一排针中,边缘针场强最大,中间针场强最小,且边缘针场强不是垂直针向下,而是由于受到其他针的库仑力向两侧倾斜。另外,本研究对纺丝针距进行优化,得出了多针头静电纺的最佳针间距。     

多针头静电编场强分布的研究

在静电纺丝过程中,电场的分布形式及场强大小,会影响射流的稳定性及整个纺丝的效果。为了得到最佳的纺丝电场环境,需对工作电场进行初步的模拟及优化。利用有限元分析软件ANSYS分别对规模化多针头高压静电纺丝机的工作场强进行了建模与仿真。分析研究表明：随着针头数的增加,场强峰值减小;同一排针中,边缘针场强最大,中间的针场强最小,且边缘针场强不是垂直针向下,而是由于受到其他针的库仑力向两侧倾斜。另外对纺丝针距进行优化,得出了多针头静电纺的最佳针间距。     

多喷头静电纺丝研究进展

静电纺丝是制取纳米纤维的一种简单而经济的方法。静电纺丝产量低是该项技术从实验室走向产业化生产及应用的最大的技术障碍,喷头组装则是静电纺丝另一个主要的工艺问题。介绍了多喷头静电纺丝、多喷头静电纺丝电场和多喷头静电纺丝机的研究现状,指出了多喷头静电纺丝的研究方向。     

双针头连续水浴静电纺的电场模拟及其纳米纤维包芯纱结构

为研究电场变化对皮芯结构纳米纤维包芯纱结构的影响,通过双针头连续水浴静电纺丝法制备了以涤纶长丝为芯纱,锦纶纳米纤维为包覆层,兼具纳米纤维特性和传统纱线力学性能的纳米纤维包芯纱。通过有限元分析软件ANSYS模拟其电场分布,探究了2个针头针尖间距对电场分布及纳米纤维包芯纱结构的影响。结果表明：静电纺丝最大电场强度出现在针尖处,随着针尖间距的增大,电场强度峰值呈现先增大后减小再增大的趋势;当针尖间距为20 mm时,纳米纤维间的黏结较多;随着针尖间距的增大,纳米纤维的形貌更加均匀光滑,其直径呈减小趋势,在针尖间距为80 mm时达到最小值(74.43±10.79) nm;当针尖间距从20 mm增加到60 mm时,纳米纤维包芯纱的孔隙率从20.27%提高到44.08%。     

静电纺丝工艺参数对制备聚丙烯腈纳米纤维的影响

用静电纺丝方法纺制聚丙烯腈（PAN）纳米纤维毡,通过扫描电镜来观察纤维的直径及其形态,研究了纺丝液浓度、溶液挤出量、静电电压、接收距离等参数对纤维直径及形态的影响,实验表明纺丝液浓度、静电电压、接收距离等对纺丝效果有明显影响,溶液挤出量对纺丝效果无明显影响。     

静电纺丝法宏量制备纳米纤维的研究进展

针对静电纺丝纳米纤维宏量制备过程中的技术问题,系统介绍了近年来国内外提高静电纺产量的最新进展、关键方法与核心技术。围绕多针头和无针头 2 大类宏量制备技术,具体介绍了多种宏量制备方法的原理、结构和特点,从产业应用和学术研究的角度分别对其进行比较,深入分析涉及到的多种宏量制备技术和装置的优缺点,以期推动静电纺丝法制备纳米纤维的产业化和多功能纳米纤维的深入研究。分析表明,无针头类静电纺丝具有电场均匀、产量高等优点,将是静电纺纳米纤维宏量制备技术发展的主要方向,但无针头类静电纺丝的机制、模拟和产业化应用仍需深入研究。     

多针头静电纺场强改善的有限元分析

多针头静电纺丝技术被认为是提高纳米纤维产量的有效方法,但场强控制存在困难。本文采用COMSOL Multiphysics多物理耦合场有限元模拟软件对多针头静电纺丝过程中场强的分布以及大小进行模拟研究,提出不等针长、不等针间距以及纺针圆形排布三种措施来对多针头静电纺场强大小及均匀度进行改进,并通过有限元模拟对上述三种多针头排布方式进行评价。此外,在多针头静电纺工艺的基础上施加辅助电极,旨在通过对电场方向走势的控制来降低纺丝过程中存在的不稳定现象,从而提高纺丝效率。     

静电纺丝理论研究进展

静电纺丝技术是制备纳米纤维普遍使用的一种方法。从上个世纪九十年代提出静电纺的概念后,取得了广泛的应用。介绍计算机模拟静电纺丝原理,包括有序静电纺、多针头静电纺、辅助板喷丝头的电场分布研究。     

静电纺丝的模式

针对现阶段存在的静电纺丝模式进行了归纳与分析,其中常规纺丝模式包括 “点-板”、“线-板”、“板-板”静电纺丝;高效纺丝模式包括“多喷头”、“无喷头”静电纺丝;特殊纺丝模式包括“同轴”、“近电场”、 “离心”静电纺丝。对各模式的纺丝特点、技术优缺点、适用性等技术进展情况进行了总结,可为静电纺丝新模式的发展提供参考。     

聚丙烯腈纳米纤维束的预氧化过程

为给高性能碳纳米纤维的预氧化制备过程提供数据参考,通过多针静电纺的方法制备具有高取向的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维束。通过研究纳米纤维结构,探讨了预氧化温度及时间对纳米纤维的结构和性能的影响。结果表明：整个纺丝过程可以持续5h以上,纳米纤维的直径在218nm左右,同时其沿纤维束轴向的取向度达到76.52%。纳米纤维的横截面成典型的外层致密内层松软的皮芯结构。随预氧化温度或者时间的增加,脱氢、环化以及氧化反应程度提高;随温度的提高,纳米纤维的结晶度先增加后减小,其最大结晶度达到54.57%。红外光谱、X射线衍射曲线以及芳构化指数表明：预氧化温度在260℃到280℃、时间1~2h之间较为合适。     

空气过滤用聚丙烯腈静电纺纤维膜的制备及其性能

为开发用于空气过滤的纳米纤维,采用静电纺丝技术制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜,探讨了其纺丝液质量分数及纺丝电压对所纺纤维微观形貌的影响,同时研究了纤维膜厚度对过滤效率和压降的影响。实验结果表明:PAN纺丝液质量分数为12%,纺丝电压为20 k V时,所得纤维粗细均匀,平均直径为230 nm;当纤维膜厚度由18μm增至35μm时,过滤压降则由121.93 Pa升至591.75 Pa,而过滤效率由81.78%升至99.24%。对过滤性能较好的纤维膜分别进行力学性能和泡压法滤膜孔径测试,测得此纤维膜的弹性模量为223.67 MPa,断裂伸长率为51.96%,拉伸断裂应力为5.93 MPa,拉伸强度为7.77 MPa,拉伸屈服应力为2.79 MPa,平均孔径为2.064 3μm。     

电压对静电纺串珠纤维成形过程的影响

以聚苯乙烯为原材料,观察在不同电压条件下以及射流不同区域的串珠纤维,研究电压对串珠形态、纤维运动速度的影响以及串珠形态在射流过程中的演变。采用高速摄影,显微镜对射流过程以及纤维形态进行表征。运用有限元仿真软件对电场、串珠形貌和串珠纤维运动速度进行模拟,建立串珠模型。研究结果表明：纺丝电压增大,射流受到的拉伸作用更明显,串珠形态逐渐由近似圆形变为纺锤形,同时串珠的表面速度也随着电压的增大而增大,实验结果与仿真模拟结果一致;射流直线段并未出现串珠结构,串珠在鞭动区域逐步形成,同时,在越靠近接收装置的射流区域,串珠纤维受到的拉伸作用越明显。     

静电纺丝在增强锂离子电池隔膜中的应用

静电纺纤维膜是用作锂离子电池隔膜的理想材料,为满足实际生产要求,需对其进行增强处理。综述了现有的增强型静电纺纤维膜的制备方法,包括单一静电纺丝法、静电纺丝-后处理法以及静电纺丝与增强基材复合法等,介绍了增强型静电纺纤维膜的相关性能,并提出了未来增强型静电纺锂离子电池隔膜的发展趋势。     

静电纺丝技术的最新进展

静电纺丝技术主要用于纳米纤维的生产。早在1934年,Formhals就在其专利中报道了该项技术。最近几年,研究者们将静电纺丝技术应用于如生物多聚体、工程塑料、导电聚合物、嵌段聚合物、陶瓷和复合原料的纳米纤维生产,得到可控直径的纳米纤维。通过改变纳米纤维之间的排列与堆积方式,可以得到各种复合材料。排列整齐的纳米纤维可用于复合材料、结构增强体、电化学传感材料、骨架和组织工程材料的制造。静电纺纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙率高等特点,适合做化学吸附材料和军用、民用的过滤材料。     

辅助电极作用下双喷头静电纺丝电场及射流受力分析

 双喷头静电纺丝过程中,喷头间电场相互干扰,带有相同电荷的两条射流相互排斥,使得纺丝连续性下降且纤网分布不均匀。本文通过在两喷头处各装有相同形状的圆锥形辅助电极来降低电场间的干扰,实验表明,装有圆锥形辅助电极的双喷头静电纺丝射流连续性好,纤网分布均匀且纤维直径更细。最后通过Ansoft Maxwell 3D电磁场分析软件对静电纺丝电场进行建模仿真,并模拟射流受力,从而进一步阐明辅助电极屏蔽电场的作用。     

静电纺丝过程中出现直立纤维的研究

研究在制备聚乙烯醇/壳聚糖纳米纤维膜的过程中,聚合物溶液的黏度、表面张力、电导率及接收板类型等参数对直立纤维形成的影响,为今后纳米纤维膜的成功制备奠定理论基础。     

复合静电纺超细聚丙烯腈纳米纤维的制备

为获得比常规静电纺丝纤维直径更细的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维,采用复合静电纺丝方法制备了聚丙烯腈/醋酸丁酸纤维素（PAN/CAB）复合纳米纤维,再溶解掉复合纳米纤维中的CAB组分,得到超细PAN纳米纤维并对其进行氨基化改性后用于吸附直接红23（DR23）染料。研究了PAN和CAB的混合比例、纺丝溶液质量分数和纺丝液挤出速度3个因素对所得ＰＡＮ 纳米纤维直径的影响,并比较了常规静电纺和复合静电纺制备出的PAN纳米纤维改性后的染料吸附量。实验结果表明：该方法制得的PAN纳米纤维的平均直径在50~80 nm范围内,其中当PAN和CAB的质量比为15:85、纺丝溶液质量分数为15%、纺丝液挤出速度为1.5 mL/h、纺丝电压为10 kV、接收距离为20 cm时,得到的PAN纳米纤维的平均直径为50 nm;改性后纳米纤维对DR 23的平衡吸附量达833mg/g。